對于許多制造商來說，諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、信息物理系統(tǒng)（CPS）、云機(jī)器人、霧計(jì)算和大數(shù)據(jù)等概念已經(jīng)開始與其智能工廠的愿景緊密相連。智能工廠是將信息技術(shù)（IT）的數(shù)字世界與運(yùn)營技術(shù)（OT）的物理世界連接起來， 也就是實(shí)現(xiàn)IT與OT的融合。

對于未來工廠來說，工業(yè)4.0不再是一個遙遠(yuǎn)的愿景，它就在這里，就在當(dāng)下。如今，機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連接到云端，可以提供大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。制造商正在使用這些信息渠道來簡化資產(chǎn)管理和維護(hù)， 最大限度地提高設(shè)備和流程效率，并改善產(chǎn)品質(zhì)量。

預(yù)測維護(hù)與減少停機(jī)

通用汽車公司正在將物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的基礎(chǔ)設(shè)施布局到生產(chǎn)制造中。其機(jī)器人供應(yīng)商和戰(zhàn)略合作伙伴發(fā)那科美國公司，正在幫助通用汽車為實(shí)現(xiàn)智能制造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通用汽車、發(fā)那科公司和思科共同開發(fā)了“零停機(jī)功能 （ZDT） ”解決方案， 該方案使用基于云計(jì)算的軟件平臺，來分析通用工廠機(jī)器人收集的數(shù)據(jù)， 以便發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)的潛在問題。

云連接的焊接機(jī)器人，該汽車裝配線幫助實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的愿景， 通過監(jiān)測潛在停機(jī)問題， 并促進(jìn)預(yù)測維修。

在汽車制造業(yè)中， 每60或90秒鐘就有一輛整車從裝配線上下線， 每停機(jī)一分鐘，就會為制造企業(yè)帶來2萬美元的損失。一次停機(jī)事件，可能就會造成數(shù)以百萬美元的損失。當(dāng)生產(chǎn)線突然停止時， 可能會影響整個供應(yīng)鏈， 從而進(jìn)一步加重?fù)p失。這些延誤也會進(jìn)一步向下延伸到客戶、汽車經(jīng)銷商、車隊(duì)用戶以及購買汽車的消費(fèi)者。

“我們已經(jīng)主動采取了一段時間的措施，試圖更好地預(yù)測和維護(hù)我們的制造設(shè)備的健康狀況?！蓖ㄓ闷嚨滋芈晒咀詣踊夹g(shù)和機(jī)器人的首席工程師Marty Linn說道。“我們和發(fā)那科一起合作，討論在生產(chǎn)過程中，我們可以采取哪些措施來避免事故發(fā)生。這不是工業(yè)4.0的偉大愿景，是關(guān)于在預(yù)測性維護(hù)方面，我們可以做哪些工作，來切實(shí)消除工廠不可預(yù)見的停機(jī)時間。”

2014年，通用汽車啟動了一個 ZDT 試點(diǎn)項(xiàng)目。通用汽車和發(fā)那科之間建立了戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，這是走向成功的關(guān)鍵因素。這兩家公司合作的歷史，可以追溯到20世紀(jì)80年代初期， 當(dāng)時通用汽車與日本的機(jī)器人制造商合作成立合資企業(yè)， 組建了通用發(fā)那科機(jī)器人公司， 在美國開發(fā)和銷售機(jī)器人。該公司后來獨(dú)立出來， 但雙方的合作關(guān)系仍然存在。

“正如我們所說的，我們在整合機(jī)器人。由于我們正在不斷引入新的產(chǎn)品和新的項(xiàng)目，因此每天都有來自集成商的機(jī)器人和系統(tǒng)運(yùn)抵工廠?！盠inn說。

云連接軟件平臺收集和分析從數(shù)以千計(jì)的機(jī)器人上獲得的大量數(shù)據(jù)， 以預(yù)防停機(jī)、預(yù)測維護(hù)、并優(yōu)化流程效率。
實(shí)現(xiàn)預(yù)期的投資回報

ZDT對企業(yè)車間帶來的影響是持續(xù)的。Linn說， 自該項(xiàng)目成立以來， 通用汽車已經(jīng)成功的避免了超過100起重大的非計(jì)劃停機(jī)。

根據(jù)發(fā)生故障類型的不同，可以避免6到8小時的意外停機(jī)時間。對于任何設(shè)施來說， 都是一件大事， 尤其是在大型卡車和 SUV工廠里， 每個停機(jī)事件都很重要。

為工業(yè)4.0準(zhǔn)備就緒的軟件平臺，將機(jī)器人連接到云端， 并提供觸手可得的性能數(shù)據(jù)。

隨著數(shù)以千計(jì)的機(jī)器人連接到云端，并與之建立通信， 不久以后，通用汽車就獲得了預(yù)期的投資回報。

“這是對大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、新算法、計(jì)算機(jī)功能等技術(shù)的運(yùn)用，所有這些新興技術(shù)在過去幾年中都獲得了長足的發(fā)展， 并以最有效的方式得以應(yīng)用?！盠inn說。這使得制造企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，并有效的減少停機(jī)事故，甚至放棄原有的維護(hù)計(jì)劃，直到需要的時候再采取措施。

按需維護(hù)計(jì)劃

在初始階段，通用汽車進(jìn)展緩慢， 在最初的兩年內(nèi)，總計(jì)只連接了上千臺機(jī)器人。然而到 2017年， 就有超過8500臺發(fā)那科機(jī)器人被連接在一起?！霸陂_始部署時，我們進(jìn)展緩慢，”Linn說?！鞍l(fā)現(xiàn)問題后，我們就會介入并更換零件。然后研究這些部件。非常確定的是， 我們已經(jīng)能夠驗(yàn)證和確認(rèn)這些部件是否會失效。對那些可能會造成停機(jī)事件的問題部件及時處理。正基于此， 當(dāng)我們能夠減少不定期的維護(hù)事件時， 這讓每個員工都很興奮?！?/p>

通用汽車公司開始使用ZDT來制定按需維護(hù)計(jì)劃， 而不是依賴日常維護(hù)計(jì)劃。“例如， 機(jī)器人的設(shè)計(jì)是運(yùn)行1000小時后，進(jìn)行例行維護(hù)。以前我們根據(jù)計(jì)劃在該時點(diǎn)對機(jī)器人進(jìn)行維護(hù)?！盠inn說道，“但它實(shí)際上可以持續(xù)工作1250小時， 直到需要時才對其進(jìn)行維護(hù)。因此， 現(xiàn)在我們正在努力擺脫固定的維護(hù)計(jì)劃， 而是按需計(jì)劃。這就是你所能找到的、帶來巨大成本節(jié)約的方式中最主要的途徑。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件可以隨時隨地在任何設(shè)備上提供機(jī)器人的資產(chǎn)信息、狀態(tài)監(jiān)視和維護(hù)警報。

機(jī)器學(xué)習(xí)

ZDT不僅適用于機(jī)器人，也適用于加工設(shè)備，以及由機(jī)器人直接控制的過程，如焊接、噴涂和一些分配應(yīng)用?！巴ㄟ^查看空氣壓力下沉壓力、分配涂料執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，查看大量的涂料工藝和參數(shù)，我們能夠監(jiān)測設(shè)備的健康狀態(tài)，進(jìn)而了解工作質(zhì)量?！盠inn說道。

在汽車噴漆車間， 成品質(zhì)量至關(guān)重要。所有的發(fā)那科油漆機(jī)器人都具有ZDT功能，這意味著它們可以監(jiān)控各種功能， 包括油漆罐、噴霧噴頭、調(diào)節(jié)器和驅(qū)動器的健康狀態(tài)。

如果統(tǒng)計(jì)一下與汽車噴漆有關(guān)的運(yùn)動部件總數(shù)，就會發(fā)現(xiàn)每個機(jī)器人有200多個運(yùn)動部件。有相當(dāng)數(shù)量的這些運(yùn)動部件與控制槍、調(diào)節(jié)器和壓力等特定過程裝置有關(guān)。如果這些設(shè)備中的任何一個過早出現(xiàn)故障，就可能會出現(xiàn)質(zhì)量問題或?qū)е律a(chǎn)停機(jī)。

目前， 通用汽車更多的將ZDT作為一種預(yù)測性維護(hù)工具， 而不是進(jìn)程內(nèi)的自適應(yīng)工具。但是隨著技術(shù)的發(fā)展， 收集和分析的數(shù)據(jù)也越來越多， 而且算法也變得更復(fù)雜， 用戶可以發(fā)現(xiàn)利用機(jī)器學(xué)習(xí)，它如何成為自適應(yīng)工具， 用于實(shí)時過程改進(jìn)。

“我們希望擴(kuò)大這一戰(zhàn)略， 使設(shè)備智能化， 能夠自我診斷， 在性能發(fā)生變化時可以通知我們，以便能按需做出調(diào)整或維修?！盠inn說道。

量體裁衣

發(fā)那科的分析解決方案，是監(jiān)測客戶分布在世界各地的設(shè)施內(nèi)1萬多個與云連接的機(jī)器人， 并且這一數(shù)字每天都在不斷增長。雖然一開始只是在汽車行業(yè)內(nèi)使用， 但據(jù)悉發(fā)那科公司已在2017底陸續(xù)為非汽車客戶發(fā)布軟件和硬件提供支持。

對小型制造商來講，安裝軟件和硬件設(shè)置需要即插即用，因?yàn)樗麄儾]有專門的IT部門的支持。例如，如果應(yīng)用于擁有3個機(jī)器人的一般小型工業(yè)制造商，則需要對其進(jìn)行“裁剪”。

發(fā)那科和思科公司計(jì)劃使用這種專門為 ZDT 開發(fā)的數(shù)據(jù)通信高速公路，來連接機(jī)器人之外的其它設(shè)備。作為FANUC Intelligent Edge Link and Drive（FIELD）系統(tǒng)的一部分，ZDT提供了一個開放的軟件平臺， 允許對數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、外圍設(shè)備和自動化系統(tǒng)中使用的傳感器進(jìn)行高級分析和深度學(xué)習(xí)。現(xiàn)場基于邊緣計(jì)算技術(shù)， 在網(wǎng)絡(luò)邊緣的生產(chǎn)制造點(diǎn)中處理大量數(shù)據(jù)， 從而最大限度地減少共享數(shù)據(jù)的數(shù)量和成本。

利用ZDT云解決方案， 數(shù)據(jù)從生產(chǎn)車間各處的設(shè)備流向云端， 在這里可能會有一定的延遲或遲滯。使用現(xiàn)場平臺接收生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)的好處是， 可以實(shí)時響應(yīng)事件， 這就是現(xiàn)場所要做的。它是一個開放的軟件平臺， 可以安裝到計(jì)算機(jī)硬件上， 然后允許客戶訪問從機(jī)器人、可編程邏輯控制器 （PLC）、或機(jī)床設(shè)備上獲得的數(shù)據(jù)， 并實(shí)時進(jìn)行分析。它甚至可以根據(jù)行為改變生產(chǎn)。這就是實(shí)時機(jī)器學(xué)習(xí)所能提供的良好價值。

對于自動化行業(yè)來說，工業(yè)4.0不再是一個遙不可及的夢想。越來越多的機(jī)器人制造商推出自己的物聯(lián)網(wǎng)解決方案， 以擁抱工業(yè)4.0所要求的連接水平。

觸手可及的機(jī)器人數(shù)據(jù)

Kuka Connect是一個基于云計(jì)算的軟件平臺， 它允許客戶隨時隨地在任何設(shè)備上訪問和分析庫卡機(jī)器人的數(shù)據(jù)。該解決方案提供3個主要的功能： 資產(chǎn)信息管理、狀態(tài)監(jiān)視和維護(hù)警報。

“如果你是一家規(guī)模比較大的OEM廠商， 在同一個設(shè)施內(nèi)，可能會有數(shù)以千計(jì)的機(jī)器人在運(yùn)作?！睅炜绹镜漠a(chǎn)品市場營銷總監(jiān)Andy Chang說道?！敖裉欤?他們資產(chǎn)信息管理的方式是手動維護(hù)的微軟 Excel電子表格。電子表格上的信息可能準(zhǔn)確，也可能不準(zhǔn)確， 因此他們實(shí)際上可能也不知道他們擁有哪種類型的機(jī)器人?！?/p>

如果沒有正確的資產(chǎn)信息，在整個生命周期內(nèi)，就會影響對機(jī)器人的維護(hù)?！澳梢暂p松地查找工廠周圍數(shù)以千計(jì)的機(jī)器人， 并逐個瀏覽它們， 查看它們的調(diào)試時間、檢查序列號， 以及當(dāng)前安裝的軟件， 而無需親自走到機(jī)器邊上。”Chang說。

對于狀態(tài)監(jiān)視， Kuka Connect旨在提供特定的機(jī)器人關(guān)鍵性能指標(biāo) （KPI）， 以幫助技術(shù)人員和維護(hù)人員測量機(jī)器人的性能。

“我們提供機(jī)器人所有軸的溫度圖，” Chang說。所以， 如果生產(chǎn)人員或維修人員，觀察到某一軸的溫度趨勢圖在上周已經(jīng)開始上升， 那可能意味著出現(xiàn)了下面的問題。例如：出于任何原因?qū)е碌?a href="http://www.brongaenegriffin.com/baike/qichedianzi/qichedianzijichuzh" target="_blank">變速箱過熱； 也許負(fù)載必須改變；或者是，機(jī)器人拾起的目標(biāo)可能不是機(jī)器設(shè)計(jì)的范圍等。

Kuka Connect適用于臺式機(jī)以及移動設(shè)備、智能手機(jī)、平板電腦或任何支持 web 瀏覽器的設(shè)備。直觀的儀表板可幫助用戶根據(jù)特定的標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。無論您是要優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃還是管理備件庫存， 所有數(shù)據(jù)都在您的手邊， 因此您可以預(yù)測潛在的停機(jī)時間， 并在停機(jī)之前采取步驟修復(fù)問題。

“現(xiàn)在，庫卡連接通過兩種方式提供信息，”Chang說，“一種是非常直接的方式。當(dāng)出現(xiàn)控制器錯誤消息時， 我們會向用戶提供錯誤代碼和錯誤描述的實(shí)時通知，因此非常動態(tài)。第二種方式相對間接。我們將數(shù)據(jù)提交給最終用戶， 然后他們需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以便獲得對他們的機(jī)器人、生產(chǎn)線，以及工廠有意義的數(shù)據(jù)?！?/p>

該軟件平臺不僅可以與機(jī)器人接口， 還能夠監(jiān)控由機(jī)器人控制器控制的自動化設(shè)備， 如焊接槍或膠合槍，如果機(jī)器人在軌道上，甚至可能還有一個額外的軸。

“任何由機(jī)器人控制或輔助的信息，都是平臺的一部分，“ Chang說?！斑@是我們目前正在進(jìn)行的工作， 該功能可以實(shí)現(xiàn)可視化機(jī)器人數(shù)據(jù)與特定過程數(shù)據(jù)的功能， 所以最終用戶不僅可以了解機(jī)器的機(jī)械健康狀況， 而且還可以了解過程本身的關(guān)鍵性能指標(biāo)。”

助力工業(yè)4.0人才開發(fā)

要真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和智能工廠的愿景， 我們需要跨越多個地理區(qū)域和行業(yè)的龐大人才庫來彌合日益增長的技術(shù)差距。作為世界領(lǐng)先的工業(yè)教育技術(shù)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，F(xiàn)esto Didactic正幫助用戶建立工業(yè)4.0人才庫， 并培養(yǎng)工程師們掌握未來工廠所需的新技能。

Festo Didactic美國公司的工程開發(fā)經(jīng)理Ted Rozier介紹，可能有將近 30萬多個美國制造業(yè)就業(yè)崗位因缺乏合格候選人而找不到合適的人選。而且這一數(shù)字有望繼續(xù)增長。

“讓學(xué)生熟悉自動化硬件和軟件的完整組合非常重要。””Rozier 說。他們需要了解機(jī)器人和 PLC的集成過程， 并熟悉物聯(lián)網(wǎng)是如何改善整個過程的。這是歐洲的普遍做法， 我們希望提高這類培訓(xùn)在北美的知名度。

Rozier 強(qiáng)調(diào)了多學(xué)科學(xué)習(xí)的重要性， 尤其是要注重機(jī)電一體化?！盀榱私o工業(yè)4.0帶來活力，物聯(lián)網(wǎng)必須蓬勃發(fā)展。要做到這一點(diǎn)， 需要一個強(qiáng)大的 IT 背景和強(qiáng)大的機(jī)電一體化背景。我們有機(jī)會培育不僅能理解， 而且能夠從管理層到車間層、從IT層向下直到傳感器等各個方面影響自動化制造過程，幫助機(jī)器人做決定的人才。這是一個重要的技能發(fā)展?！?/p>

模塊化的網(wǎng)絡(luò)物理學(xué)習(xí)平臺，模擬真實(shí)生產(chǎn)工廠中的工作站， 向?qū)W生傳授對工業(yè)4.0和智能工廠所必需的多學(xué)科技能。

學(xué)習(xí)工廠模塊

Festo Didactic提供了“學(xué)習(xí)工廠模塊”， 用于實(shí)際的機(jī)電一體化、控制技術(shù)和自動化技術(shù)的工業(yè)培訓(xùn)。該系統(tǒng)從一個模塊：單一項(xiàng)目工作站I4.0開始，用于培訓(xùn)控制技術(shù)的基本原理。然后可以添加數(shù)個模塊， 創(chuàng)建一個完整的學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)-實(shí)體（CP）工廠， 其中包括一個現(xiàn)實(shí)的工業(yè)托盤循環(huán)系統(tǒng)和一個自主移動機(jī)器人來連接不同的工作站。

系統(tǒng)是模塊化的， 因此可以根據(jù)學(xué)習(xí)需求的變化，添加、刪除和移動各個工作站。培訓(xùn)主題包括： PLC 項(xiàng)目工程，與人機(jī)接口 （HMI） 和射頻識別 （RFID） 傳感器協(xié)同工作，調(diào)試 Web 服務(wù)器和 TCP/IP 和 OPC-UA 接口、能源監(jiān)測和管理，與智能流程數(shù)據(jù)模塊、企業(yè)資源計(jì)劃 （ERP） 系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES） 和快速原型協(xié)同工作。

一些制造業(yè)和STEM tracks的社區(qū)學(xué)院正在使用Festo的 CP 工廠模塊來 培訓(xùn)學(xué)生，以便其在畢業(yè)后能夠立即投入工作。位于美國南卡羅來納州巖石山的約克工學(xué)院有一間專門用于CP工廠的房間， 大約有6個模塊。像位于阿拉巴馬州萬斯的梅賽德斯-奔馳工廠，正在使用Festo學(xué)習(xí)設(shè)備， 以提高工人的知識水平。我們必須為人、機(jī)器和數(shù)據(jù)在高度互聯(lián)的世界中互動的新方法做好準(zhǔn)備?，F(xiàn)在， 您可以采取一些步驟來為工業(yè)4.0和智能工廠做準(zhǔn)備。

Guardian S機(jī)器人移動物聯(lián)網(wǎng)平臺，包括一個靈巧的， 可遠(yuǎn)程操作的機(jī)器人， 用于不可預(yù)知和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境， 如爬樓梯或不均勻傾斜。

集成IIoT平臺的移動機(jī)器人

大多數(shù)機(jī)器人都是針對具體功能設(shè)計(jì)的。它們專注于做一件事，不停的重復(fù)，而且做得很好。另一方面， 移動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）機(jī)器人更多的則是通才。在某種程度上，它可以看作是無人自動駕駛車輛 （UAV），甚至可以認(rèn)為是一種地面無人機(jī)。有一種機(jī)器人的外形類似于蛇， 這讓它變得特別有趣。

“蛇形機(jī)器人”已經(jīng)出現(xiàn)大約十年了， 最初被用于復(fù)雜地形環(huán)境下的搜救行動， 其中可能包括布滿泥漿的環(huán)境、地震或礦難坍塌現(xiàn)場等。Sarcos Robotics公司最近發(fā)布了其Guardian S機(jī)器人移動物聯(lián)網(wǎng)平臺， 該款機(jī)器人是一個靈巧的、可遠(yuǎn)程操作的機(jī)器人，主要在不可預(yù)知和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中使用。一個基本裝置的成本約為6萬美元， 或可以簽訂服務(wù)合同，每月2000美元。

該機(jī)器人集成了微軟Azure云計(jì)算平臺和微軟Azure IoT套裝， 并將Windows 10作為平板控制器。云計(jì)算平臺使客戶能夠在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中收集、存儲和分析傳感器數(shù)據(jù)， 或者在不可行的區(qū)域部署固定傳感器。

“在大范圍開放環(huán)境下，無人機(jī)在收集有用數(shù)據(jù)方面完成了一項(xiàng)令人難以置信的工作， 但我們發(fā)現(xiàn)在某些應(yīng)用環(huán)境有對數(shù)據(jù)收集更高的需求，例如在密閉或封閉的空間、或者需要數(shù)小時而不是幾分鐘來收集數(shù)據(jù)、或者數(shù)據(jù)只能將傳感器布置在附近、或與表面接觸的環(huán)境下收集數(shù)據(jù)的機(jī)會。”Sarcos Robotics 公司的董事長兼首席執(zhí)行官Ben Wolff如是說。

Guardian S機(jī)器人就像一種多用途、無線控制、無人駕駛的地面車輛， 可作為移動物聯(lián)網(wǎng)平臺運(yùn)載多個傳感器有效載荷。這款重13.5磅的機(jī)器人可以遠(yuǎn)程操作和跨越具有挑戰(zhàn)性的地形，包括樓梯、涵洞、管道、水箱、垂直的鐵磁表面和密閉空間， 同時還可以促進(jìn)雙向?qū)崟r視頻、語音和數(shù)據(jù)通信。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器和云服務(wù)的結(jié)合，對于評估所布置的各種工業(yè)機(jī)器的性能和預(yù)測所需的維護(hù)非常有價值。搭載了物聯(lián)網(wǎng)平臺的機(jī)器人，通過利用Azure 云計(jì)算功能和分析來收集和分析與機(jī)器人周圍環(huán)境有關(guān)的數(shù)據(jù)，從而提高了云的效率。（作者：Tanya M. Anandan）